奇特的量子自旋液体，诡异的量子力学原理，正等候你去探究

fengyundzc

物理学家从磁异样粒子的“量子汤”中发明了新的物资形态
新发现的物资的相可能被用于设计更好的量子计算机。


迷信家初次在试验室发现了前所未见的物资形态，很长期里该形态都是迷信家的构想。
经过发射铷原子晶格在超高温下的激光，迷信家们将原子“捅”进一碗凌乱的“量子汤”中。
这碗“量子汤”被称为量子自旋液体。
这碗量子汤中的原子很快就被衔接到一同，它们的形态也会穿梭全部资料衔接起来，这个进程叫做量子纠缠。这象征着其中一个原子的任何改动都会瞬间惹起物资中此外一个原子的改动；这一冲破可能为研发更好的量子计算机铺平路途。2021年十二月3日《迷信》杂志中的一篇论文引见了这一发现，钻研员在论文中如是说。


“这是该畛域一个十分特别的时辰，”论文的第一通信作者、哈佛大学物理学传授、哈佛量子方案联结担任人Mikhail Lukin在一次讲演中这样说，“你真的能够触摸、戳、捅这个怪异的形态，还能把持它以了解它的特性。这是一个全新的物资形态，人们从未观测到。”
1973年，这一律念第一次被物理学家Philip Anderson实践化：当物资被“哄骗”着不遵守主持它们磁行动的惯例时，量子自旋液体就泛起了。
电子有一个特性，叫做自旋。自旋是一种量子角动量，分为上自旋和下自旋。在个别的磁体中（好比冰箱里的磁铁），相邻电子的自旋标的目的会自动肯定，直到它们的自旋标的目的都变得相反，如斯便造成了磁场。在非磁性物资中，两个相邻电子的自旋标的目的可能相同。但不管是哪一种状况，小磁极都能造成一种惯例的固定形态。


但是在量子自旋液体中，电子是不会做选择的。它们不会“排排坐”，而是会被限度在一个三角形的晶格外部，这样一来，任何一个电子都有两个近邻。两个电子能相互校准自旋，但第三个电子总会因配不可对而“出局”，因而它会破坏两电子间软弱的均衡，使本就“躁动”的电子堕入更为凌乱的形态。
钻研者们把这类凌乱的形态称为“扰动”磁行动。当自旋形态不肯定时，电子和原子的量子态就会诡异地结合起来，造成量子态叠加。不停改动的自旋当初呈现出既是上自旋又是下自旋的叠加态，自旋标的目的的继续转换也会致使物资中一切的原子纠缠在一同，堕入一种繁杂的量子态。


钻研者无奈间接钻研现实的量子自旋液体，所以他们在其余试验零碎中制作了一种近乎完善的复制品。他们将219个铷原子约束在一同并冷却，温度降至大约10μK（微开尔文）（接近绝对零度：273.15℃），这能够被运用于精细设计和激起各种量子进程。
有时，原子中的一个电子处在比其余电子更高的能级上，使原子处于里德伯态。与自旋形态类似的是，诡异的量子力学原理规则：假如一个电子的相邻电子处于里德伯态，那末它就不会同处于里德伯态。钻研者们对阵列中的特定原子发射激光，从而摹拟出传统量子自旋液体的“三足鼎峙”。
跟着“量子里德伯汤”的发生，钻研者们对阵列做了一次测试，证明了全部资料中的原子曾经堕入纠缠态——它们制作出了量子自旋液体。


而后，迷信家们将留意力转向对其潜伏运用的概念测试的证实：设计一台量子计算机。个别的计算机使用“比特”，即用0和1的方式进行整个计算；而量子计算机使用“量子比特”，它能立刻发生多种同时存在的形态。但是，量子比特是十分软弱的，任何同外界的交互都有可能等闲破坏信息的传递。
但量子自旋液体内的物资间能互相纠缠这一特性使得更多的信息被结实地贮存起来，由于它不是将量子化信息仅编码为一个量子比特，而是将信息包容在“外形”中，也就是所谓的“拓扑构造”，纠缠的自旋态能够经过全部物资发明这样一种状态，构建“拓扑量子比特”。经过把信息编码为由多个部份而非一个部份组成的“外形”，拓扑量子比特在传递信息过程当中丧失整个信息的可能性就大大升高了。


钻研人员仅实现了对巨大拓扑量子比特的概念证实——只要数十个原子，然而他们但愿能在将来发明出更大、更实用的拓扑量子比特。
“学习如何发明并使用拓扑量子比特将成为里程碑式的逾越，是使牢靠的量子计算机成为理想的症结一环，”身为协作作者的哈佛大学量子物理学家Giulia Semeghini在一次讲演中这样说道，“咱们展现如何发明拓扑量子比特的最后一步，但咱们依然需求为你演示如作甚之编码以及如何把持它。还有得多得多等候着咱们去探究。”
BY: Ben Turner
FY:斗极星zj
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